Een ultrasnelle laser die lichtpulsen van slechts 100 miljoenste van een nanoseconde afvuurt, zou mogelijk een revolutie teweeg kunnen brengen in de manier waarop NASA-technici instrumentcomponenten van ongelijke materialen vervaardigen en uiteindelijk assembleren.

Een team van optische fysici bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, experimenteert met een femtoseconde laser en heeft al aangetoond dat het glas effectief aan koper kan lassen, glas op glas, en boor gaatjes ter grootte van een haar in verschillende materialen.

Nu de groep, onder leiding van optisch fysicus Robert Lafon, breidt zijn onderzoek uit naar meer exotisch glas, zoals saffier en Zerodur, en metalen, zoals titaan, Invar, Kovar, en aluminium-materialen die vaak worden gebruikt in ruimtevaartinstrumenten. Het doel is om grotere stukken van deze materialen te lassen en aan te tonen dat de lasertechnologie effectief is bij het hechten van vensters op laserbehuizingen en optica aan metalen steunen, onder andere toepassingen.

Met steun van het Center Innovation Fund-programma van het Directoraat Ruimtetechnologie, de groep onderzoekt ook het gebruik van de technologie bij het fabriceren en verpakken van fotonische geïntegreerde schakelingen, een opkomende technologie die van alles kan profiteren, van communicatie en datacenters tot optische sensoren. Hoewel ze vergelijkbaar zijn met elektronische geïntegreerde schakelingen, fotonische geïntegreerde schakelingen zijn vervaardigd op een mengsel van materialen, inclusief silica en silicium, en gebruik zichtbaar of infrarood licht, in plaats van elektronen, informatie over te dragen.

"Dit begon als puur onderzoek, maar nu hopen we te beginnen met het toepassen van wat we hebben geleerd bij de fabricage van instrumenten hier bij Goddard, " zei Lafon, verwijzend naar het werk dat hij en zijn team waaronder Frankie Micalizzi en Steve Li, gebruiken om te experimenteren met verschillende materialen en technieken die ruimtevaarttoepassingen ten goede kunnen komen. “We zien nu al wat de toepassingen kunnen zijn. In dit geval onderzoek omwille van het onderzoek is in ons belang, ' zei Lafon.

De deugden van de technologie

Centraal in het bevorderen van deze toepassingen is de laser zelf. Dankzij zijn korte pulsen - gemeten op een quadriljoenste van een seconde - interageert een ultrasnelle laser op een unieke manier met materialen, zei Lafon. De laserenergie smelt het beoogde materiaal niet. Het verdampt het zonder de omringende materie te verhitten.

Als resultaat, technici kunnen de laser precies richten en ongelijksoortige materialen hechten die anders niet zouden worden bevestigd zonder epoxy's. "Het is niet mogelijk om glas direct op metaal te verlijmen, " zei Lafon. "Je moet epoxy gebruiken, die uitgassen en verontreinigingen afzet op spiegels en andere gevoelige instrumentcomponenten. Dit kan een serieuze aanvraag zijn. We willen af ​​van epoxy's. We zijn al begonnen contact op te nemen met andere groepen en missies om te zien hoe deze nieuwe mogelijkheden hun projecten ten goede kunnen komen."

Een andere belangrijke toepassing ligt op het gebied van microbewerking. "De mogelijkheid om kleine hoeveelheden materiaal te verwijderen zonder de omringende materie te beschadigen, stelt ons in staat microscopische kenmerken te bewerken, " voegde Lafon eraan toe.

Microscopische kenmerken omvatten alles van geboord, haargrote gaatjes in metalen - een toepassing die het team al heeft gedemonstreerd - voor het etsen van microscopische kanalen of golfgeleiders waardoor licht kan reizen in fotonische geïntegreerde schakelingen en laserzenders. Met dezelfde golfgeleiders kunnen vloeistoffen door microfluïdische apparaten en chips stromen die nodig zijn voor chemische analyses en instrumentkoeling.

Wijdverbreide toepasbaarheid op NASA-projecten

"Ultrasnelle lasers bieden fundamentele veranderingen in de manier waarop we materialen kunnen microprocesseren, " zei Ted Swanson, senior technoloog voor strategische integratie bij Goddard. "Het werk van het team aan deze onderzoeksinspanning zal Goddard in staat stellen deze opkomende technologie aan te passen aan een breed scala aan vluchttoepassingen."

Daartoe, het team - tussen het werken aan verschillende van NASA's spraakmakende lasercommunicatieprojecten, inclusief de Laser Communications Relay Demonstration—plannen om een ​​bibliotheek met microbewerkings- en lasmogelijkheden samen te stellen. "Zodra we dit vermogen op betrouwbare wijze kunnen aantonen, we zullen proberen het toe te passen op bestaande uitdagingen hier bij Goddard. Ons eerste onderzoek toont aan dat deze technologie kan worden toegepast op een groot aantal projecten bij NASA, ' zei Lafon.